不同材料矯形棒在青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸矢狀面重建中作用的有限元研究

范建平，趙 檢，陳自強(qiáng)，李 明*

1.海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長海醫(yī)院骨科，上海 200433

2.中國人民解放軍第285醫(yī)院，河北 056000

青少年特發(fā)性脊柱側(cè)凸（AIS）矯正率的提高得益于椎弓根螺釘?shù)膽?yīng)用，這使得AIS在冠狀面和橫斷面上的力線能夠很好地重建。全椎弓根螺釘帶來強(qiáng)大矯形力的同時(shí)，同樣也帶來系列相關(guān)并發(fā)癥，如術(shù)后胸椎生理彎曲減?。?-2］。近年來，AIS矢狀面力線的重建越來越受到外科醫(yī)師的重視，因?yàn)榱己玫氖笭蠲嫫胶馀c患者生存質(zhì)量顯著相關(guān)［3］。許多因素均可影響AIS患者術(shù)后矢狀面平衡，如融合節(jié)段選擇［4］、醫(yī)師操作技術(shù)水平［5］和術(shù)前矢狀面參數(shù)［6］。對于胸椎結(jié)構(gòu)性側(cè)凸的患者，胸椎生理彎曲較正常人群要小，一般＜ 20°，使術(shù)后胸椎生理彎曲不足風(fēng)險(xiǎn)增加。既往研究表明，矯形棒材料是影響AIS矢狀面矯形效果的重要因素［7］。本研究通過建立有限元模型，模擬AIS矯形手術(shù)，探討不同材料、不同預(yù)彎弧度矯形棒在AIS矢狀面平衡重建中的作用。

1 資料與方法

1.1 T1至骶骨有限元模型的建立

選擇1例AIS患者，女，14.3歲，身高162 cm，體質(zhì)量51 kg。術(shù)前正位X線片測量T1～6Cobb角為24°，T6～12Cobb角為48°；矢狀面測量胸椎后凸T2～12為11°，T10～ L2為-6°，腰椎后凸為51°。采用0.8 mm薄層CT掃描T1至骶骨，得到dicom格式圖像數(shù)據(jù)。圖像導(dǎo)入Mimics軟件（Materialise公司，比利時(shí)），輸出格式為stl的模型數(shù)據(jù)。將stl數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio軟件（Geomagic公司，美國）對模型進(jìn)行修補(bǔ)和邊界調(diào)整。使用SolidWorks軟件（SolidWorks公司，美國）根據(jù)上下椎體輪廓構(gòu)建椎間盤形狀，髓核與纖維環(huán)成分比為3∶2。仿真模擬前后縱韌帶，根據(jù)解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)構(gòu)建其余韌帶。根據(jù)骨質(zhì)的CT值（亨氏單位，Hu）差異，使用Mimics軟件進(jìn)行對應(yīng)賦值，計(jì)算各結(jié)構(gòu)密度（ρ），ρ（kg·m-3）=1.067×CT值+131。進(jìn)一步計(jì)算各結(jié)構(gòu)彈性模量（E），E=009 882×ρ1.56。泊松比為0.30。模型中各結(jié)構(gòu)賦值見表1。

荷載與邊界條件設(shè)定。限制T1椎體上終板和骶骨各個(gè)方向自由度，模擬人體直立狀態(tài)脊柱所受負(fù)荷，最終軀干上身體質(zhì)量平均施加在每一個(gè)節(jié)段上。所建立的模型中，骨組織、終板和韌帶分別應(yīng)用實(shí)體單元、殼單元和仿真單元。模型包括691 271個(gè)單元，其中實(shí)體單元、殼單元以及仿真單元計(jì)數(shù)分別為667 459、62 838和575（圖1）。

表1 各結(jié)構(gòu)賦值Tab. 1 Assignment of different structures

圖 1 AIS有限元模型Fig. 1 Finite element model of AIS

構(gòu)建的有限元模型與AIS患者術(shù)前X線片具有良好的幾何相似性，Wilcoxon檢驗(yàn)提示椎體各重心到骶骨中垂線距離一致。前屈、后伸、左旋和右旋加載實(shí)驗(yàn)表明，本研究建立的AIS模型與Panjabi等［8］的報(bào)道一致。本模型采用實(shí)物加載，與既往建立的模型［9］相比更接近實(shí)體力學(xué)特性（圖2），可用于不同材料、不同預(yù)彎曲度矯形棒對AIS矢狀面平衡重建的研究。

1.2 不同材料矯形棒的手術(shù)模擬

圖2 椎體施加荷載時(shí)的位移圖Fig. 2 Displacement diagram of vertebra under loading

采用Solidworks軟件設(shè)定螺釘?shù)牟牧蠈傩?，ABAQUS軟件進(jìn)行力學(xué)加載運(yùn)算。由于CT中沒有內(nèi)固定材料數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)采用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬。上胸椎椎弓根螺釘?shù)拈L度和直徑為25.00 mm和3.50 mm，胸椎中段為30.00 mm和4.00 mm，下胸椎為40.00 mm和5.50 mm，腰椎為45.00 mm和6.00 mm。釘棒間采用面與面接觸，相對摩擦系數(shù)為0.52。椎弓根螺釘?shù)膹椥阅Ａ颗c泊松比分別設(shè)定為11 000 MPa和0.3。釘棒采用四面體模擬設(shè)計(jì)，限定置入后螺釘所有方向自由度。

矯形方式為棒平移矯形，邊界條件為約束T1椎體上部在X、Y軸方向上的自由度，同時(shí)約束骶骨和骨盆的自由度。矯形上棒時(shí)將棒預(yù)彎一定角度，凹側(cè)上棒矯形。手術(shù)節(jié)段為T2～ L2。上棒矯形過程中沒有考慮肌肉和胸廓對手術(shù)的影響。術(shù)后測量胸椎、胸腰段和腰椎曲度，同時(shí)測量螺釘對應(yīng)的拔出力。

根據(jù)硬度不同設(shè)定矯形棒材料為鈷鉻合金和鈦合金，棒的直徑均為6.35 mm。鈦合金棒彈性模量為11 000 Mpa，泊松比為0.30；鈷鉻合金棒彈性模量為23 900 Mpa，泊松比為0.35。分別比較2種矯形棒術(shù)后胸椎后凸、胸腰交界后凸和腰椎前凸的變化以及椎弓根螺釘拔出力。

1.3 不同預(yù)彎曲弧度鈦合金棒手術(shù)模擬

在前述AIS模型基礎(chǔ)上，采用鈦合金棒平移矯形。增大棒預(yù)彎弧度為40°，比較采用不同預(yù)彎弧度（28°和40°）矯形棒對AIS矢狀面力線及螺釘拔出力的影響。

2 結(jié) 果

當(dāng)矯形棒預(yù)彎弧度為28°時(shí)，鈦合金棒矯形后胸椎后凸為12°，胸腰段為3°，腰椎前凸為38°；鈷鉻合金棒矯形后胸椎后凸為25°，胸腰段為3°，腰椎前凸為38°（圖3），說明鈷鉻合金棒能夠更好地恢復(fù)患者胸椎后凸和腰椎前凸（圖4），但使用鈷鉻合金棒時(shí)，椎弓根螺釘拔出應(yīng)力顯著增加（圖5）。當(dāng)鈦合金棒預(yù)彎弧度為40°時(shí)，胸椎后凸恢復(fù)到27°，顯著優(yōu)于預(yù)彎弧度為28°時(shí)，同時(shí)螺釘拔出應(yīng)力顯著增加（圖6 ～ 8）。

圖3 不同材料矯形棒的矯形位移效果云圖（預(yù)彎弧度28°）Fig. 3 Cloud chart of orthopedic displacement of different material rods（pre-bending curve 28°）

圖4 矯形后胸腰椎矢狀面參數(shù)的比較（預(yù)彎弧度28°）Fig. 4 Comparison of sagittal parameters of thoracolumbar spine after orthopaedics（pre-bending curve 28°）

圖5 螺釘在各椎體相應(yīng)拔出力的比較（預(yù)彎弧度28°）Fig. 5 Comparison of screw pullout forces at different levels（pre-bending curve 28°）

圖6 不同預(yù)彎弧度鈦合金棒矯形位移效果云圖Fig. 6 Cloud chart of orthopedic displacement of titanium alloy rods with different pre-bending curves

圖7 使用不同預(yù)彎弧度的鈦合金矯形棒術(shù)后胸腰椎矢狀面參數(shù)比較Fig. 7 Comparison of sagittal parameters between titanium alloy rods with different pre-bending curves

圖8 使用不同預(yù)彎弧度鈦合金矯形棒時(shí)螺釘在各椎體相應(yīng)拔出力比較Fig. 8 Comparison of screw pullout forces between titanium alloy rods with different pre-bending curve

3 討 論

隨著脊柱內(nèi)固定器械的發(fā)展，全椎弓根螺釘強(qiáng)大的矯形力實(shí)現(xiàn)了AIS脊柱在冠狀面、橫斷面和矢狀面力線的矯正［10］。相應(yīng)的手術(shù)方式也不斷出現(xiàn)，從起初的單凹側(cè)撐開凸側(cè)加壓到今天的截骨矯形術(shù)等［11］。有研究表明，脊柱矢狀面平衡和患者生存質(zhì)量具有顯著相關(guān)性，恢復(fù)AIS患者胸腰椎生理曲度具有重要意義［12］。許多因素均可影響AIS術(shù)后矢狀面平衡，不同材料矯形棒的矢狀面重建效果不同。臨床研究發(fā)現(xiàn)，硬度較高的鈷鉻合金棒能夠更好地恢復(fù)患者胸椎生理曲度［13-14］，也能更好地維持冠狀面和矢狀面的矯形效果［7］。

本研究采用有限元模型模擬側(cè)凸矯形手術(shù)，結(jié)果表明，矯形棒材料硬度相對較大時(shí)，胸椎后凸的重建效果更好。目前矯形棒的材料主要包括不銹鋼、鈦、鈦合金和鈷鉻合金，不同材料的生物屬性各異。不銹鋼棒由于磁共振的兼容性差，已經(jīng)很少使用。鈦合金棒和鈦棒具有生物力學(xué)優(yōu)勢，目前應(yīng)用較多。鈦棒鋼度明顯優(yōu)于不銹鋼棒，磁共振相容性和生物相容性好，抗疲勞性強(qiáng)。鈷鉻合金棒的剛度比鈦棒和鈦合金棒都要強(qiáng)，在同樣的彈性回彈范圍下矯形力更大，抗疲勞性更好［15］。因此，鈷鉻合金棒對于柔韌性非常差的脊柱畸形患者尤為適用。在本研究中，矯形棒預(yù)彎弧度同樣為28°時(shí)，鈷鉻合金棒術(shù)后胸椎后凸恢復(fù)情況好于采用鈦合金棒。既往臨床研究也表明，鈷鉻合金棒能夠更好地重塑矢狀面平衡，同時(shí)也能夠更好地維持矯形效果［7，14］。需要注意的是，矯形棒的剛度過大會導(dǎo)致棒置入節(jié)段椎體壓力負(fù)荷降低，骨鈣丟失風(fēng)險(xiǎn)相對增加。既往研究報(bào)道，內(nèi)固定硬度越大，鄰近節(jié)段承受應(yīng)力越大，術(shù)后發(fā)生鄰近節(jié)段退變的風(fēng)險(xiǎn)越高［16］。本研究還發(fā)現(xiàn)，使用鈷鉻合金棒時(shí)螺釘拔出應(yīng)力大于使用鈦合金棒。因此，對于上下端椎體螺釘應(yīng)力較大部位，在螺釘?shù)倪x擇和置入時(shí)應(yīng)考慮到鈷鉻合金棒帶來的強(qiáng)大剪切力和拔出力，建議手術(shù)時(shí)適當(dāng)增加螺釘數(shù)量，并將螺釘恰當(dāng)?shù)胤稚⒃谌诤瞎?jié)段不同椎體。

本研究還發(fā)現(xiàn)，術(shù)前矯形棒預(yù)彎弧度會影響AIS矢狀面平衡的恢復(fù)，適當(dāng)增加矯形棒的胸段預(yù)彎弧度能夠更好地維持矢狀面矯形效果，與文獻(xiàn)報(bào)道一致［17-18］。但是當(dāng)預(yù)彎弧度增加時(shí)，也會導(dǎo)致螺釘拔出應(yīng)力增加，同時(shí)矯形棒的抗疲勞性會顯著下降，增加了斷棒的風(fēng)險(xiǎn)［15］。目前手術(shù)醫(yī)師在確定彎棒弧度時(shí)多由自身經(jīng)驗(yàn)決定，本研究初步探討了采用基于金屬棒性質(zhì)的有限元模型預(yù)測矯形棒預(yù)彎弧度，為個(gè)體化設(shè)計(jì)矯形棒預(yù)彎弧度及矯形棒材料選擇提供了新思路。但本研究采用的是仿真模型，無法納入患者體質(zhì)量、柔韌性、骨骼發(fā)育等情況，其可行性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。